TWI805297B - 基於氫燃料電池之氣水分離裝置及其氫氣排放監測系統 - Google Patents

Abstract

一種基於氫燃料電池之氣水分離裝置，包括一容器以及一冷卻單元，容器包含一腔體、一進氣口、一排氣口與一排水口，進氣口用以連通外部管路以接收來自氫燃料電池的陰極排氣端的一氣水反應產物；冷卻單元包含一調控模組及其電連接的一致冷模組，致冷模組具有一製冷面且其與容器的外周表面貼合接觸，調控模組用以根據一設定條件控制致冷模組通過製冷面與容器之間進行熱交換，以冷卻腔體中的氣水反應產物且使氣水反應產物中的水蒸氣因降溫冷凝，從而使氣水反應產物中的氫氣與液態水分離，而分離後的氫氣由排氣口排出，分離後的液態水由排水口排出；其中設定條件係為氫氣處於飽和狀態的露點溫度，調控模組用以感測腔體內的壓力、溫度以及氣水反應產物的相對濕度，來控制致冷模組的驅動電流以調節製冷面的冷面溫度。藉此，能提升氣水分離效率以及利於分離後氫氣濃度的量測準確性。

Description

基於氫燃料電池之氣水分離裝置及其氫氣排放監測系統

本發明涉及一種燃料電池技術領域，尤指一種有關應用於氫燃料電池的氣水分離裝置以及即時檢測氫氣排放的監測系統。

氫能源在全世界中的使用已經越來越廣泛，其中，燃料電池發電是重要的氫能源使用方式之一。由於氫氣有爆炸的危險性，所以氫的安全性考量即成為能否有效運用氫能源的重要因素。目前，利用儲氫金屬來儲存氫氣的固態儲氫方式，是相對較為安全的技術，可有效、安全的吸附氫氣，並避免氫氣洩漏的危害。但是，儲氫金屬的成本較高，若是整個儲氫系統都是以儲氫金屬的方式來做，將會大幅地提高成本。因為氫燃料電池系統工作時，主要是透過電化學反應，進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置，其中最常見的燃料為氫與空氣結合。燃料電池產生電後亦會伴隨著水與廢熱，基於氫氣安全要求下，美國SAE J2578與中國GB/T 37154均要求氫氣排放在空氣中的爆炸濃度(質量分數)須控制在4%以下。

在習知技術中，應用於氫燃料電池的氣水分離器大致分為1.擋板型、2.氣旋型、3.吸附型；其中擋板型氣水分離器主要是由多個擋板 依序排列構成，而流體(氣體與水)在分離器內多次改變流動方向，由於懸浮的水滴有較大的質量和慣性，當遇到擋板流動方向改變時，氣體可以繞過擋板繼續向前，而水滴就會積聚在擋板上，氣水分離器有很大的通流面積，減少了水滴的動能，大部分都會凝聚，最後落到分離器的底部，通過排水閥排出，然而缺點是擋板型分離器在10m/s到30m/s的流速之間分離效率非常高，但對於流速較低的環境或應用，其效率是較低的。

氣旋型(離心型)分離器主要使用了一連串肋片以便產生高速氣旋，在分離器內高速旋轉流動的流體(氣體與水)，經由離心、碰撞而使得水滴凝結在壁面上，水滴可經由通道設計後排出，而氣體則經由另一出口排出，然而缺點是分離效率關鍵在流體速度要低(如：13m/s以下)，才能達到較高的分離功能，若是流體速度過快，其分離效率非常低。另外，吸附型分離器主要是利用其內部的流體通道上有一個阻礙物，一般是一個金屬網墊，懸浮的水滴遇到它後被吸附，水滴大到一定程度後，由于重力作用落到分離器底部，然而缺點是流體速度過快，其分離效率低。

上述三種習之技術的氫氣與水分離的分離效率都不佳導致氣水分離不徹底，因此，發明人有鑑於習知技術中的缺失，經過悉心試驗與研究，提出一種基於氫燃料電池之氣水分離器及其氫氣排放監測裝置以提升原有氣水分離器效能及對應安裝氫氣濃度排放檢測裝置(感測器)，以改善後續氣水分離的效率與氫氣量測精確度。

本發明之目的在於提出一種基於氫燃料電池之氣水分離裝置及其氫氣排放監測系統，氣水分離裝置是利用具有特殊腔體結構之容器，通過調控裝置並且設定溫度控制來控制致冷模組，依據Peltier效應產生一製冷面於容器表面；另一面放熱面可經由散熱模組，如：熱沉、熱導管、水冷排或風扇，將熱源散至環境之中；再者，容器的外周更可包覆絕熱材，以將腔體內之溫度維持在低溫狀態。同時，流體(氣水混合物)經由腔體內之冷凝效果可另外設計金屬網板、分隔板或吸附型的結構做為冷凝效率輔助加強，確保氣與水完全分離，並且使得幾乎不含水蒸氣的氫氣能進入氫氣傳感器進行量測而不影響氫氣傳感器的判讀的準確性。

為達到本發明之一目的，本發明提出一種基於氫燃料電池之氣水分離裝置，包括：一容器以及一冷卻單元，容器包含一腔體、一進氣口、一排氣口與一排水口，該腔體、該進氣口、該排氣口與該排水口係彼此相互連通，該進氣口用以連通外部管路以接收來自該氫燃料電池的陰極排氣端的一氣水反應產物並進入該腔體中；冷卻單元包含一調控模組及其電連接的一致冷模組，該致冷模組具有一製冷面與一放熱面且該製冷面與該容器的外周表面貼合接觸，該調控模組用以根據一設定條件控制該致冷模組通過該製冷面與該容器之間進行熱交換，以冷卻該腔體中的該氣水反應產物且使該氣水反應產物中的水蒸氣因降溫冷凝，從而使該氣水反應產物中的氫氣與液態水分離，而分離後的氫氣由該排氣口排出，分離後的液態水由該排水口排出；其中該設定條件係為氫氣處於飽和狀態的露點溫度，該調控模組用以感測該腔體內的壓力、溫度以及該氣水反應產物的相對濕度，來控制該致冷模組的驅動電流以調節該製冷面的冷面溫度。

為達到本發明之另一目的，本發明提出一種基於氫燃料電池之氫氣排放監測系統，其包括：一容器、一冷卻單元、一氫氣傳感器以及一資料擷取裝置，容器包含一腔體、一進氣口、一排氣口與一排水口，該腔體、該進氣口、該排氣口與該排水口係彼此相互連通，該進氣口用以連通外部管路以接收來自該氫燃料電池的陰極排氣端的一氣水反應產物並進入該腔體中；冷卻單元包含一調控模組及其電連接的一致冷模組，該致冷模組具有一製冷面與一放熱面且該製冷面與該容器的外周表面貼合接觸，該調控模組用以根據一設定條件控制該致冷模組通過該製冷面與該容器之間進行熱交換，以冷卻該腔體中的該氣水反應產物且使該氣水反應產物中的水蒸氣因降溫冷凝，從而使該氣水反應產物中的氫氣與液態水分離，而分離後的氫氣由該排氣口排出，分離後的液態水由該排水口排出；氫氣傳感器配置在該排氣口的位置以偵測分離後的氫氣濃度值並發送一類比訊號；資料擷取裝置用以接收關於氫氣濃度值之該類比訊號並回傳給一外部的氫燃電池系統控制器；其中該設定條件係為氫氣處於飽和狀態的露點溫度，該調控模組用以感測該腔體內的壓力、溫度以及該氣水反應產物的相對濕度，來控制該致冷模組的驅動電流以調節該製冷面的冷面溫度。

根據本發明一實施例，其中更包含一散熱模組，該散熱模組配置在該致冷模組的該放熱面的一側並接觸，用以將該放熱面所產生的熱能通過熱傳導或熱對流的方式進行熱交換，其中該散熱模組包含一散熱鰭片組與一散熱風扇，該散熱鰭片組一側與該放熱面接觸以熱傳導方式與該放熱面進行熱交換，該散熱鰭片組另一側組接該散熱風扇，該調控模組電 連接該散熱風扇以驅動運轉，以熱對流方式與該散熱鰭片組的表面進行熱交換。

根據本發明一實施例，其中該腔體內更設有一集水腔室，而該集水腔室係配置在該腔體對應該排水口的一側，而該集水腔室分別與該腔體和該排水口連通以收集分離後的液態水到一特定容量後再由該排水口排出。

根據本發明一實施例，其中該腔體中更設置有一冷凝結構，該冷凝結構係為多個金屬網目板且該些金屬網目板依序以等距間隔排列，每一該金屬網目板的網目結構為平行四邊形且相鄰的二個該金屬網目板的網目為彼此對應或彼此交錯，每一該金屬網目板的網目大小為相等或不相等，該網目大小係介於2mm~10mm之間，而該金屬網目板的表面為一疏水性表面，該金屬網目板的表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間。

根據本發明一實施例，其中該腔體中更設置有一冷凝結構，該冷凝結構係為多個金屬薄板且自該進氣口朝該排氣口的方向等距間隔上下排列以構成一蛇狀流道，該蛇狀流道中相鄰的每一該流道之間的間距為相等或不相等且間距係至少為10mm以上，而各該金屬薄板的表面為一疏水性表面，該金屬薄板的表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間，而該集水腔室為遠離該排水口的一側表面為一金屬網目結構且與各該金屬薄板形成互垂，該金屬網目結構的網目大小係介於2mm~10mm之間且其表面為一疏水性表面，該表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間。

根據本發明一實施例，其中該容器的外部輪廓大致為一矩形柱狀、圓筒狀，橢圓柱狀以及錐狀之前述任一者，該容器的外周表面的部分區域與該致冷模組的該製冷面貼合，另一部分區域配置有絕熱層，該絕熱層選自有機絕熱材料或者無機絕熱材料所製成，而該絕熱層的熱傳導係至少為0.5W/mk以下。

根據本發明一實施例，其中該腔體的內部表面為一平滑表面或者一凹凸表面，該內部表面為一疏水性表面，該內部表面與分離後液態水的係介於100~135度之間。

根據本發明一實施例，其中以該容器的中心做為XY直角座標平面之原點且界定四個象限，該進氣口配置於第一象限中，該排氣口配置於第二象限中，該排水口配置於該第三象限、第四象限中或者在Y軸上。

根據本發明一實施例，其中該進氣口的開設方向係與X軸或Y軸平行，該排氣口的開設方向係與X軸或Y軸平行，該排水口的開設方向係與Y軸平行。

根據本發明一實施例，其中該進氣口、該排氣口與該排水口分別對外連接有通道且各該通道配置有電連接該調控模組的進氣閥、背壓閥以及排空閥，該調控單元更用以根據該氣水分離裝置處於一待機、啟動、冷卻或者排洩之不同運作程序下執行對該進氣閥、該背壓閥以及該排空閥之啟閉控制。

根據本發明一實施例，其中該調控單元至少包含壓力感測器以及控制模組，當該氣水分離裝置處於待機之運作程序時，該調控單元控制該進氣閥開啟且該背壓閥以及該排空閥關閉以避免該腔體高溫氣水逆流 回至該進氣口管線而產生水結冰現象，當該氣水分離裝置處於啟動之運作程序時，該調控單元控制連通該進氣口的該控制閥開啟而其他該控制閥保持關閉以使該器水反應產物進入該腔體中，當該氣水分離裝置處於冷卻之運作程序時，由該調控單元即時接收該壓力感測器偵測該腔體的內壓數值，通過控制模組發送指令以來制該控制閥的閥門開度來調整該腔體的內壓以保持在一預設值，該預設值係根據該氫燃料電池的電堆不同壓阻來決定。

10:容器

11:腔體

112:冷凝結構

114:冷凝結構

12:進氣口

13:排氣口

14:排水口

15:集水腔室

122:進氣閥

132:背壓閥

142:排空閥

160:集水腔室

20:冷卻單元

21:調控模組

22:致冷模組

221:製冷面

222:放熱面

23:散熱模組

231:散熱鰭片

232:散熱風扇

24:絕熱層

30:氫氣傳感器

40:資料擷取裝置

90:直流電源

100:氣水分離裝置

500:氫氣排放監測系統

HW:氣水反應產物

H:氫氣

W:液態水

圖1係顯示本發明之氣水分離裝置應用於氫燃料電池的方塊圖。

圖2a係顯示本發明之氣水分離裝置的一實施例結構示意圖。

圖2b係顯示本發明之氣水分離裝置的另一實施例結構示意圖。

圖2c係顯示本發明之氣水分離裝置的另一實施例結構示意圖。

圖3係顯示基於本發明之圖2b或圖2c的氣水分離裝置的立體外觀示意圖。

圖3a係顯示本發明之冷凝結構的一實施例的示意圖。

圖3b係顯示本發明之冷凝結構的另一實施例的示意圖。

圖4係顯示本發明之圖2c的側面結構示意圖(含散熱模組與絕熱層)

圖5係顯示結合本發明之圖1的氫氣排放監測系統的結構示意圖。

有關本發明的詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。以下結合附圖對本發明的各種實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方 法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者；而關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚呈現，以下實施例所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」等，僅是參考附加圖示的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明；再者，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的元件標號。

首先說明，基於氫燃料電池系統排放標準必須受到嚴格的參數監控，然而現今的氫氣感測器並不適用於氣體中含水的飽和狀態下使用，不論是半導體型式或是吸附觸媒式，都無法連接使用氫氣感測器，而須另外使用昂貴的氣體分析儀，且使用此一儀器仍須做前置冷凝工作。在傳統的氣水分器中所使用的擋板型、氣旋型、吸附型都有著分離效率低，分離不徹底的問題。

據此，請參考圖1~2a所示，其分別顯示本發明之氣水分離裝置應用於氫燃料電池的方塊圖以及氣水分離裝置的一實施例結構示意圖。。本發明首先提出一種基於氫燃料電池之氣水分離裝置，大致包括：一容器(10)以及一冷卻單元(20)，容器(10)包含一腔體(11)、一進氣口(12)、一排氣口(13)與一排水口(14)，該腔體(11)、該進氣口(12)、該排氣口(13)與該排水口(14)係彼此相互連通，該進氣口(12)用以連通外部管路以接收 來自該氫燃料電池的陰極排氣端的一氣水反應產物(HW)並進入該腔體(11)中；冷卻單元(20)包含一調控模組(21)及其電連接的一致冷模組(22)，該致冷模組(22)具有一製冷面(221)與一放熱面(222)且該製冷面(221)與該容器(10)的外周表面貼合接觸，該調控模組(21)用以根據一設定條件控制該致冷模組(22)通過該製冷面(221)與該容器(10)之間進行熱交換，以冷卻該腔體(11)中的該氣水反應產物(HW)且使該氣水反應產物(HW)中的水蒸氣因降溫冷凝，從而使該氣水反應產物(HW)中的氫氣(H)與液態水(W)分離，而分離後的氫氣(H)由該排氣口(13)排出，分離後的液態水(W)由該排水口(14)排出；其中該設定條件係為氫氣處於飽和狀態的露點溫度，該調控模組用以感測該腔體(11)內的壓力、溫度以及該氣水反應產物(HW)的相對濕度，來控制該致冷模組(22)的驅動電流以調節該製冷面(221)的冷面溫度。

在本實施例中，該致冷模組(22)採用致冷晶片(Thermoelectric Cooler)，基於容器(10)內的腔體(11)容積的設計在2500~5000cm³左右，因此在考量影響致冷時間在於該致冷模組(22)的最大冷卻能力，該致冷模組(22)具有4片致冷力>39W以上的致冷晶片，合計約為156W；在操作條件上，我們設定電流值在1.8A，致冷力約12.5Wx4=50W，可控制大約在100秒以內將腔體(11)冷卻至露點溫度以下，而氫氣濕度標準露點和壓力溫度有關，如0.3MPA的氫氣露點大約15℃。依據氫燃料電池系統冷機時間約>100秒以上，故選用之致冷模組的冷卻速率並沒有選擇更高的操作電流或是選用更大的致冷力的致冷晶片。

再請參考圖2b所示，基於上述圖2a中所表示的氣水分離裝置，本發明再提供另一實施例，該氣水分離裝置更包含一散熱模組(23)，該散熱模組(23)配置在該致冷模組(22)的該放熱面(222)的一側並接觸，用以將該放熱面(222)所產生的熱能通過熱傳導或熱對流的方式進行熱交 換。在本實施例中，該散熱模組(23)包含一散熱鰭片組(231)與一散熱風扇(232)，該散熱鰭片組(231)一側與該放熱面(222)接觸以熱傳導方式與該放熱面(222)進行熱交換，該散熱鰭片組(231)另一側組接該散熱風扇(232)，該調控模組(21)電連接該散熱風扇以驅動運轉，以熱對流方式與該散熱鰭片組(231)的表面進行熱交換。補充說明，考量上述致冷晶片的規格選用，關於散熱鰭片組(231)則選用鋁製Alpha Novatech LPD130-40，其規格長度約為130mm，寬度約為40mm，散熱鰭片組(231)具有196片散熱鰭片，每一片為長度約為8.4mm，寬度約為0.95mm，高度約為34mm；相鄰二個散熱鰭片的左右間距約為1.6mm；前後間距約為3.85mm；但不依此為限制。

再請參考圖2c所示，基於上述圖2b中所表示的氣水分離裝置，本發明再提供另一實施例，該氣水分離裝置的腔體(11)內更設有一集水腔室(15)，該集水腔室(15)係配置在該腔體(11)對應該排水口(142)的一側，而該集水腔室(15)分別與該腔體(11)和該排水口(142)連通以收集分離後的液態水到一特定容量後再由該排水口(142)排出。

根據本發明一實施例，其中該腔體(11)的內部表面為一平滑表面或者一凹凸表面，該內部表面為一疏水性表面，該內部表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間。

根據本發明一實施例，其中以該容器(10)的中心做為XY直角座標平面之原點且界定四個象限，該進氣口(12)配置於第一象限中，該排氣口(13)配置於第二象限中，該排水口(14)配置於該第三象限、第四象限中或者在Y軸上。

根據本發明一實施例，其中該進氣口(12)的開設方向係與X軸或Y軸平行，該排氣口(13)的開設方向係與X軸或Y軸平行，該排水口(14)的開設方向係與Y軸平行。

根據本發明一實施例，其中該進氣口(12)、該排氣口(13)與該排水口(14)分別對外連接有通道且各該通道配置有電連接該調控模組(21)的一進氣閥(122)、背壓閥(132)以及一排空閥(142)，該調控單元(21)更用以根據該氣水分離裝置處於一待機、啟動、冷卻或者排洩之不同運作程序下執行對該進氣閥(122)、該背壓閥(132)以及該排空閥(142)之啟閉控制。

根據本發明一實施例，其中該調控單元(21)至少包含壓力感測器以及控制模組，當該氣水分離裝置處於待機之運作程序時，該調控單元(21)控制該進氣閥(122)開啟且該背壓閥(132)以及該排空閥(142)關閉以避免該腔體(11)高溫氣水逆流回至該進氣口(11)管線而產生水結冰現象，當該氣水分離裝置處於啟動之運作程序時，該調控單元(21)控制連通該進氣口(11)的該控制閥(122)開啟而其他該控制閥(132,142)保持關閉以使該器水反應產物(HW)進入該腔體(11)中，當該氣水分離裝置處於冷卻之運作程序時，....由該調控單元(21)即時接收該壓力感測器偵測該腔體(11)的內壓數值，通過控制模組發送指令以來制該控制閥(132)的閥門開度來調整該腔體(11)的內壓以保持在一預設值，該預設值係根據該氫燃料電池的電堆不同壓阻來決定。另外，排空閥(142)可以是另設有內含浮球裝置，在量測到水位過高時，會開啟排空閥(142)排放積水。也可以由是調控單元(21)在運作過程中依運行時間在一個週期下(通常在10秒)控制該排空閥(142)間歇性開啟，其中該排空閥(142)的開啟時間可設定約在0.1ms~20ms，是運行情況做調整。

請再參考圖3~3a所示，其表示本發明之圖2c的氣水分離裝置的立體外觀示意圖以及本發明之冷凝結構的一實施例的示意圖。在本實施例中主要是結合上述圖2b所述之氣水分離裝置所配置的冷凝結構。該氣水分離裝置中的該腔體(11)中設置有一冷凝結構(112)，該冷凝結構(112) 係為多個金屬網目板(1120)，且該些金屬網目板(1120)依序以等距間隔排列，每一該金屬網目板(1120)的網目結構為平行四邊形且相鄰的二個該金屬網目板(1120)的網目為彼此對應、或者是彼此交錯。在此說明，所謂彼此對應係指二個相鄰金屬網目板(1120)中的每個網目口在配置位置上相互對應，而所謂彼此交錯則是二個相鄰金屬網目板(1120)中的每個網目口在配置位置上相互不對應。另外，每一該金屬網目板(1120)的網目大小可以為相等或不相等，該網目大小係介於2mm~10mm之間，而該金屬網目板(1120)的表面為一疏水性表面，該金屬網目板(1120)的表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間。

請再參考圖3b所示，其表示本發明之冷凝結構的另一實施例的示意圖。在本實施例中主要是結合上述圖2c所述之氣水分離裝置所配置的冷凝結構。該氣水分離裝置中的該腔體(11)中設置有一冷凝結構(114)，該冷凝結構(114)係為多個金屬薄板(1140)，該些金屬薄板(1140)自該進氣口(12)朝該排氣口(13)的方向等距間隔上下排列以構成一蛇狀流道，該蛇狀流道中相鄰的每一流道之間的間距可以為相等或不相等，而其間距係至少為10mm以上。另外，各該金屬薄板(1140)的表面為一疏水性表面，該金屬薄板(1140)的表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間，而該集水腔室(15)為遠離該排水口(142)的一側表面為一金屬網目結構且與各該金屬薄板(1140)形成互垂，該金屬網目結構的網目大小係介於2mm~10mm之間且其表面為一疏水性表面，該表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間；藉由金屬網目結構的配置主要用以收集通過蛇狀流道時的因降溫凝結形成於金屬薄板(1140)的表面的液態水珠後，自表面滑落到金屬網目結構上後再進入集水腔室(15)中。

再請參考圖4所示，在上述圖2a~3c所述之各實施例任一者的結構基礎下，其中該容器(10)的外部輪廓大致為一矩形柱狀、圓筒狀， 橢圓柱狀以及錐狀之前述任一者，該容器(10)的外周表面的部分區域與該致冷模組(22)的該製冷面(221)貼合，另一部分區域配置有絕熱層(24)，該絕熱層(24)選自有機絕熱材料或者無機絕熱材料所製成，而該絕熱層(24)的熱傳導係至少為0.5W/mk以下。

在上述圖2a~4所述之各實施例任一者的結構基礎下，請再參考圖5所示，本發明再提出一種基於氫燃料電池之氫氣排放監測系統，其主要更包括一氫氣傳感器(30)以及一資料擷取裝置(40)；其中氫氣傳感器(30)配置在該排氣口(13)的位置以偵測分離後的氫氣濃度值並發送一類比訊號；資料擷取裝置(40)用以接收關於氫氣濃度值之該類比訊號並回傳給一外部的氫燃電池系統控制器(FCU或FCCU)後運算處理以回傳提供氫氣排放之參數值。在本實施例中，資料擷取裝置(40)可以是採用市售DQA資料紀錄器。

綜上所述，本發明所提出的一種基於氫燃料電池之氣水分離裝置及其氫氣排放監測系統，氣水分離裝置利用氫氣飽和狀態下的露點溫度做為冷凝，除了結合原有氣水分器之功能，另建立低溫環境容器，將原流體(>45℃)快速冷凝至(<15℃)，由溫控器設定溫度後，通過電源控制致冷片(器)溫度，致冷片依據Peltier效應，產生一端冷端；另一面熱端，可經由散熱模組將熱源散至環境之中，而容器四周包覆絕熱材，將容器內之冷度維持低溫狀態。同時，氣水混合物經由容器內特殊的冷凝結構做為輔助加強，確保氣與水完全分離。另外，結合本發明所述之氣水分離裝置的氫氣排放監測系統氫氣排放監測系統，再有效分離後的氫氣(H)能通過冷凝結構進入氫氣感測器內，被資料擷取器(DAQ)讀取電壓或電流值，後續廢氣或廢水會再排放至大氣環境中將提高氫氣感測器判讀的精確性以及含有水氣造成氫氣感測器損壞的機率。

雖然本發明以之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。惟以上該之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10:容器

11:腔體

12:進氣口

13:排氣口

14:排水口

15:集水腔室

122:進氣閥

132:背壓閥

142:排空閥

20:冷卻單元

21:調控模組

22:致冷模組

221:製冷面

222:放熱面

90:直流電源

100:氣水分離裝置

HW:氣水反應產物

H:氫氣

W:液態水

Claims (12)

1. 一種基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其包括：一容器，包含一腔體、一進氣口、一排氣口與一排水口，該腔體、該進氣口、該排氣口與該排水口係彼此相互連通，該進氣口用以連通外部管路以接收來自該氫燃料電池的陰極排氣端的一氣水反應產物並進入該腔體中；一冷卻單元，包含一調控模組及其電連接的一致冷模組，該致冷模組具有一製冷面與一放熱面且該製冷面與該容器的外周表面貼合接觸，該調控模組用以根據一設定條件控制該致冷模組通過該製冷面與該容器之間進行熱交換，以冷卻該腔體中的該氣水反應產物且使該氣水反應產物中的水蒸氣因降溫冷凝，從而使該氣水反應產物中的氫氣與液態水分離，而分離後的氫氣由該排氣口排出，分離後的液態水由該排水口排出；其中該設定條件係為氫氣處於飽和狀態的露點溫度，該調控模組用以感測該腔體內的壓力、溫度以及該氣水反應產物的相對濕度，來控制該致冷模組的驅動電流以調節該製冷面的冷面溫度。
2. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中更包含一散熱模組，該散熱模組配置在該致冷模組的該放熱面的一側並接觸，用以將該放熱面所產生的熱能通過熱傳導或熱對流的方式進行熱交換，其中該散熱模組包含一散熱鰭片組與一散熱風扇，該散熱鰭片組一側與該放熱面接觸以熱傳導方式與該放熱面進行熱交換，該散熱鰭片組另一側組接該散熱風扇，該調控模組電連接該散熱風扇以驅動運轉，以熱對流方式與該散熱鰭片組的表面進行熱交換。
3. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該腔體內更設有一集水腔室，該集水腔室係配置在該腔體對應該排水口 的一側，而該集水腔室分別與該腔體和該排水口連通以收集分離後的液態水到一特定容量後再由該排水口排出。
4. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該腔體中更設置有一冷凝結構，該冷凝結構係為多個金屬網目板且該些金屬網目板依序以等距間隔排列，每一該金屬網目板的網目結構為平行四邊形且相鄰的二個該金屬網目板的網目為彼此對應或彼此交錯，每一該金屬網目板的網目大小為相等或不相等，該網目大小係介於2mm~10mm之間，而該金屬網目板的表面為一疏水性表面，該金屬網目板的表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間。
5. 如請求項2之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該腔體中更設置有一冷凝結構，該冷凝結構係為多個金屬薄板且自該進氣口朝該排氣口的方向等距間隔上下排列以構成一蛇狀流道，該蛇狀流道中相鄰的每一該流道之間的間距為相等或不相等且間距係至少為10mm以上，而各該金屬薄板的表面為一疏水性表面，該金屬薄板的表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間，而該集水腔室為遠離該排水口的一側表面為一金屬網目結構且與各該金屬薄板形成互垂，該金屬網目結構的網目大小係介於2mm~10mm之間且其表面為一疏水性表面，該表面與分離後液態水的接觸角係介於100~135度之間。
6. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該容器的外部輪廓大致為一矩形柱狀、圓筒狀，橢圓柱狀以及錐狀之前述任一者，該容器的外周表面的部分區域與該致冷模組的該製冷面貼合，另一部分區域配置有絕熱層，該絕熱層選自有機絕熱材料或者無機絕熱材料所製成，而該絕熱層的熱傳導係至少為0.5W/mk以下。
7. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該腔體的內部表面為一平滑表面或者一凹凸表面，該內部表面為一疏水性表面，該內部表面與分離後液態水的係介於100~135度之間。
8. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中以該容器的中心做為XY直角座標平面之原點且界定四個象限，該進氣口配置於第一象限中，該排氣口配置於第二象限中，該排水口配置於該第三象限、第四象限中或者在Y軸上。
9. 如請求項8之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該進氣口的開設方向係與X軸或Y軸平行，該排氣口的開設方向係與X軸或Y軸平行，該排水口的開設方向係與Y軸平行。
10. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該進氣口、該排氣口與該排水口分別對外連接有通道且各該通道配置有電連接該調控模組的進氣閥、背壓閥以及排空閥，該調控單元更用以根據該氣水分離裝置處於一待機、啟動、冷卻或者排洩之不同運作程序下執行對該進氣閥、該背壓閥以及該排空閥之啟閉控制。
11. 如請求項1之基於氫燃料電池之氣水分離裝置，其中該調控單元至少包含壓力感測器以及控制模組，當該氣水分離裝置處於待機之運作程序時，該調控單元控制該進氣閥開啟且該背壓閥以及該排空閥關閉以避免該腔體高溫氣水逆流回至該進氣口管線而產生水結冰現象，當該氣水分離裝置處於啟動之運作程序時，該調控單元控制連通該進氣口的該控制閥開啟而其他該控制閥保持關閉以使該器水反應產物進入該腔體中，當該氣水分離裝置處於冷卻之運作程序時，由該調控單元即時接收該壓力感測器偵測該腔體的內壓數值，通過控制模組發送指令以來制該控制閥的閥門開度來調整該腔體的內壓以保持在一預設值，該預設值係根據該氫燃料電池的電堆不同壓阻來決定。
12. 一種基於氫燃料電池之氫氣排放監測系統，包括：如請求項1至11中任一項之基於氫燃料電池之氣水分離裝置；氫氣傳感器，配置在該排氣口的位置，用以偵測分離後的氫氣濃度值以發送一類比訊號；資料擷取裝置，用以接收該類比訊號並回傳給一外部的氫燃電池系統控制器。

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